Nowe okno na wszechświat

Zderzenie czarnych dziurPrzez kilka ostatnich dni chodziliśmy w napięciu. Było tak, bowiem wiedzieliśmy o tym, że na 11 lutego zespół projektu LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) zaplanował konferencję prasową, a tych naukowcy nie zwołują bez szczególnego powodu. Atmosferę podgrzewał fakt, że od września zeszłego roku pojawiały się pogłoski, że LIGO wykryło jakiś sygnał. Ale naukowcy pracujący przy eksperymencie ich nie komentowali. I choć później pojawiało się coraz więcej szczegółowych plotek, świat nauki postanowił czekać do ewentualnego oficjalnego ogłoszenia. Tym bardziej, że w 2014 zespół innego eksperymentu, BICEP2, pospieszył się z ogłoszeniem wyników, które później okazały się błędne. Prócz tego naukowcy czasem w ramach sprawdzania metodologii eksperymentów symulują ich wyniki, wykorzystując je później do ćwiczeń i weryfikacji rzetelności samego zespołu. Przecieki mogły pochodzić właśnie z takiego testu.

LIGO Livingston Observatory Czym jest eksperyment LIGO? To na chwilę obecną dwie placówki w USA, stanowiące zalążek większej sieci, których celem jest obserwacja fal grawitacyjnych. W tym celu na terenie każdej z nich znajduje się laser, lustra i bardzo dużo niezwykle czułej aparatury pomiarowej. Na jakiej zasadzie i co miałyby one mierzyć? Aby to wyjaśnić, trzeba przypomnieć, czym są fale grawitacyjne.

Fale grawitacyjne przewiduje ogólna teoria względności A. Einsteina, z której wynika, że zaburzenie czasoprzestrzeni przez masywne obiekty będzie się rozchodzić niczym fala na wodzie – promieniejąc od takiego obiektu – z prędkością światła. To mogła być tylko bardzo dziwna i egzotyczna matematyka ale równie dobrze mógł być to rzeczywisty efekt. Stąd też teoria inspirowała naukowców do poszukiwania tego efektu w przyrodzie, a pisarzy science fiction do jej kreatywnego wykorzystania. Problemem było jednak to, że ewentualne efekty oddziaływania fal grawitacyjnych byłyby bardzo trudne do zmierzenia: trzeba bowiem szukać odkształceń przestrzeni mniejszych, niż tysięczne części jąder atomowych!

 

Dużo łatwiej od samych fal grawitacyjnych jest szukać ich efektów. Fala grawitacyjna jest także nośnikiem energii. W 1974 r. Joseph Taylor i Russell Hulse odkryli ciasny układ podwójny, w którym dwie masywne gwiazdy neutronowe, krążąc wokół siebie z zawrotnymi prędkościami, przyspieszały i zacieśniały swoje orbity dokładnie tak, jakby systematycznie traciły energię. W tym wypadku obserwacje zgadzały się z rachunkami wynikającymi z Ogólnej Teorii Względności, więc całą sytuację uznano za pośrednie potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych, a Taylor i Hulse w 1993 r. za swoje odkrycie otrzymali nagrodę Nobla.

Technologia idzie jednak do przodu i stąd właśnie LIGO: eksperyment oparty jest na prostym założeniu, że światło pulsującego źródła laserowego rozszczepionego na odrębne tory o identycznej budowie w normalnej sytuacji trafi na detektor w tym samym czasie. Gdyby jednak ta przestrzeń została zniekształcona, długości poszczególnych torów stałyby się na ułamek sekundy różne, przez co wystąpiłyby różnice w czasie odebrania poszczególnych „trafień” przez detektor.

Wykres fal grawitacyjnych11 lutego 2016 r. naukowcy potwierdzili, że takie zjawisko zarejestrowali. Co więcej, na podstawie szczegółowych analiz zarejestrowanego przez siebie sygnału stwierdzili, że źródłem fal grawitacyjnych było zderzenie dwóch czarnych dziur o masach wynoszących 36 i 29 mas Słońca, które nastąpiło 1,3 miliarda lat świetlnych od Ziemi. W efekcie zderzenia powstała czarna dziura o masie ok. 62 mas Słońca. Jeśli ktoś jest dociekliwy, szybko stwierdzi, że 36+29=65. Czyli brakuje 3 mas Słońca. I właśnie taką równowartość energetyczną niosła z sobą zaobserwowana fala grawitacyjna: jednocześnie było to kilkadziesiąt razy więcej, niż wynosiła suma energii wypromieniowywanej przez wszystkie widziane przez nas gwiazdy. A efekt mimo wszystko był łatwy do przegapienia: trwał ok. 20 ms, a odkształcenie czasoprzestrzeni było mniejsze, niż tysięczna część protonu. Jeżeli to wszystko prawda, to jest to jednocześnie potwierdzenie Ogólnej Teorii Względności, jak i tryumf fizyki doświadczalnej.

Jednocześnie jest to początek nowej gałęzi astronomii. Wraz ze zwiększaniem precyzji eksperymentów mamy nadzieję na zaobserwowanie fal grawitacyjnych pochodzących z różnych źródeł, takich jak łączące się gwiazdy neutronowe czy supernowe. To z kolei pozwoli nam lepiej oszacować ilość tych obiektów, ich rodzaj, jak również zweryfikować nasze teorie na ich temat. Rozbudowa naziemnej sieci detekcyjnej oraz umieszczenie detektorów w przestrzeni kosmicznej wydają się być tylko kwestią czasu.

Znaczenia ogłoszonego odkrycia nie przekreśla również fakt, że w tej chwili nie jesteśmy w stanie nawet dokładnie określić kierunku, z którego dotarła do nas odkryta fala grawitacyjna, możemy jedynie w przybliżeniu wskazać rejon nieba. To nowe, fascynujące okno na Wszechświat, z którego z biegiem czasu będziemy umieli coraz lepiej korzystać. Podobne były przecież początki astronomii radiowej czy rentgenowskiej, które są dzisiaj pełnoprawnymi dyscyplinami badawczymi. Stąd też jest niemal pewne, że przed nami kolejne detekcje i szansa na lepsze zrozumienie kosmosu.

dr Tomasz Banyś, Planetarium EC1

 

 

Komentuje Tomasz Kisiel, kierownik Planetarium EC1 w Łodzi:

W tym odkryciu mamy dwa aspekty: teoretyczny i technologiczny. O ile samo istnienie fal grawitacyjnych nie jest zaskoczeniem, to ich bezpośrednia rejestracja jest dla nas ogromnym przełomem, szczególnie technologicznym.

Oto otwiera nam się trzeci rodzaj zaglądania we Wszechświat. Pierwszy to fale elektromagnetyczne i będące ich częścią światło widzialne, wykorzystywane najczęściej w różnych rodzajach obserwacji (spektroskopia, fotometria, astrometria), drugim są neutrina, które dopiero uczymy się skutecznie obserwować, a teraz dołączają fale grawitacyjne. Do tej pory obserwowaliśmy je pośrednio w szczególnych układach gwiazd podwójnych i musieliśmy obserwować ich źródło by móc zaobserwować efekt ich emisji. Teraz możemy obserwować je w detektorze i analizować skąd pochodzą i jaki jest mechanizm ich powstania. To oznacza, że możliwe będzie obserwowanie obiektów niewidocznych dla innych rodzajów obserwacji, ukrytych np. przez obłoki gazu i pyłu międzygwiazdowego czy bliższe silne źródła fal radiowych.

Jestem przekonany, że odkrycie to zostanie w krótkim czasie uhonorowane nagrodą Nobla.